月球冷海高鋁玄武巖遙感識別及其地質特征分析

馬明，陳鏡然，陳圣波，李秉擇，陸天啟，韓成浩，田鵬

1 吉林建筑大學測繪與勘查工程學院,長春 130118 2 吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026 3 中國科學院比較行星學卓越創新中心，合肥 230026 4 廣州海洋地質調查局自然資源部海底礦產資源重點實驗室，廣州 510075 5 廣州海洋地質調查局三亞南海地質研究所，海南三亞 572025

0 引言

月球高鋁玄武巖是指Al2O3含量大于11 wt%的月海玄武巖（Neal and Taylor,1992），它們是理解月幔不均勻性的重要窗口（Dickinson et al.,1985;Li et al.,2016）.高鋁玄武巖樣品采集于美國的Apollo 12、14、16和前蘇聯的Luna 16任務（Reid et al.,1972;Ridley,1975;Neal et al.,1994;Zeigler et al.,2006），除Luna 16采樣點之外（Reid et al.,1972），其他采樣點的高鋁玄武巖樣品都被認為是著陸區域周圍月海的“濺射物”（Wilhelms et al.,1987;Zeigler et al.,2006）.這些地理位置跨度超過2400 km的“濺射物”和原地（Luna 16）樣品采集表明（Kramer et al.,2008a），高鋁玄武巖可能廣泛地分布于月海盆地中，且埋藏在異常復雜的月表風化層或撞擊濺射物之下.同時，樣品的化學組成分析表明，這些玄武巖源于月球巖漿洋晚期的堆積巖，其鋁質特征（Al2O3>11 wt%）暗示它們來源于含有大量斜長石的月幔深部（Finnila et al.,1994），意味著上月幔中（100 km）斜長巖的低效率分異（Snyder et al.,1992）或者更深的玄武巖噴發源（200～500 km）（Kramer et al.,2008a）.樣品的同位素測年結果表明，高鋁玄武巖是月球上年齡最老、且年齡跨度較大（43.3～32.8億年）的一類玄武巖（Dickinson et al.,1985;Nyquist et al.,1981），預示著高鋁型火山活動不僅有可能同步于月殼斜長巖分異活動，持續了近10億年，并且也暗示著月球上的高鋁玄武巖的空間和時間分布可能比采樣樣品信息所表示的更普遍.

盡管高鋁玄武巖的存在已經得到了Apollo和Luna樣品的充分證實（Reid et al.,1972;Ridley,1975;Neal et al.,1994;Zeigler et al.,2006），但是，目前只有Kramer等（2008a,b）在低空間分辨率（2像素/（°））的LP-GRS（Lunar Prospector Gamma Ray Spectrometer）Th（釷）和高空間分辨率（100米/像元，局部）的Clementine UV-VIS（Ultraviolet-visible-infrared）FeO和TiO2影像中，基于高鋁樣品的FeO（14～18 wt%）、TiO2（1～5 wt%）和Th（0～4 ppm）等“替代”成分約束條件初步完成了高鋁玄武巖的遙感識別.相關研究結果中存在由于高鋁樣品中FeO與Al2O3含量間較低的相關性（R2=0.4923）導致的“替代”成分約束條件的較高不確定性，以及沒有完全消除月表風化層和月海-高地混合物影響等問題.同時，直接基于Al2O3含量成分約束條件的高鋁玄武巖遙感識別研究至今尚未開展.主要原因包括：（1）高鋁玄武巖樣品的主要元素氧化物含量，鎂指數（Mg#）和放射性年齡之間沒有關聯性（Neal and Taylor,1992），無法建立獨特的成分約束條件并應用于多源遙感影像中實現高鋁玄武巖的遙感識別；（2）早期噴發到月球表面的高鋁玄武巖通常會被隨后噴發的其他類型玄武巖覆蓋，同時，被撞擊作用挖掘的少量裸露的高鋁玄武巖由于物理風化作用（Kramer et al.,2008a），在遙感影像中與月海-高地混合物幾乎無法區分；（3）在可見光近紅外遙感影像中，高鋁玄武巖與高地鈣長石很難區分；（4）現有鋁含量遙感影像產品的實用性受限于空間分辨率或者覆蓋度（Prettyman et al.,2006;Wu,2012;Xia et al.,2019）.

冷海（Mare Frigoris ，43°N—67°N，53°W—52°E）為月球第五大月海，位于雨海北側，是一個不規則形狀的大型填充盆地（Williams et al.,2019）.與由大型撞擊作用形成的環形或者橢圓形月海（Wilhelms et al.,1987）相比，冷海獨一無二的形狀并不支持其是由清晰可識別的單一撞擊作用形成的.從玄武巖巖性角度考慮，冷海盆地中的玄武巖可能是風暴洋玄武巖的一部分（Cadogan,1974;Andrews-Hanna et al.,2014）.從地形特征角度考慮，冷海盆地的地形凹陷可能是由于雨海和澄海撞擊事件導致的（Whitford-Stark and Frye,1975），其可能屬于古雨海盆地坑緣階地的一部分（Wu et al.,2018）.冷海東部表面相對規則，呈橢圓狀，包含一個明顯的正重力異常（Wieczorek et al.,2001;Zuber et al.,2013）；其他大部分（中部和西部）表面則是由玄武巖填充的不規則凹陷盆地（Williams et al.,2019）.冷海盆地中填充的玄武巖年齡約為2.5～3.79 Ga，其中東部玄武巖年齡較老，多數為3.6～3.8 Ga，西部相對年輕，多數約為3.4～3.6 Ga（Hiesinger et al.,2010）.Kramer等（2015）推測冷海中可能蘊藏著大量的高鋁玄武巖，但是，由于冷海狹長的形狀，高地撞擊坑的濺射物呈射線狀，相互交叉，相互覆蓋地“污染”著盆地中玄武巖.同時，冷海內部撞擊坑（例如Harpalus和Aristoteles）的濺射物也將原本平滑的玄武巖殼覆蓋于由濺射物、次級撞擊鏈和凹槽組成的復雜形狀圖案下（Kramer et al.,2015），這些因素增加了冷海中高鋁玄武巖遙感識別的難度.

本文將利用多源月球遙感數據，包括巖石豐度（Bandfield et al.,2011）、LP-GRS Th含量（Prettyman et al.,2006）、LRO（Lunar Reconnaissance Orbiter）Diviner主要元素氧化物含量（Ma et al.,2022）、LRO寬角和窄角相機（Wide 和Narrow Angle Camera，WAC和NAC）、以及數字地形圖（Lunar Orbiter Laser Altimeter Global Lunar DTM 100 m，LOLA GLD100）等影像數據，遵循實驗室月球巖性分類標準（Wang and Zhao,2017），以富含巖石的新鮮表面作為突破口，在消除月海-高地混合物影響的前提下，從月球表面角度，輔以月球淺層方向，完成冷海高鋁玄武巖地質單元或者斑塊的遙感識別，及其形態學地質特征（面積、埋藏深度、厚度和體積等）統計分析，揭示高鋁玄武巖在月球冷海早期演化進程中的本質和意義.

1 數據

目前，基于月球可見光和能譜數據，四個團隊（Lucey et al.,2000a;Prettyman et al.,2006;Wu,2012;Xia et al.,2019）已經實現了月球表面主要氧化物含量的定量反演.Lucey等（2000a）利用Clementine紫外可見光數據實現了TiO2和FeO含量的反演.之后，六種氧化物（SiO2，TiO2，Al2O3，FeO，MgO和CaO）含量相繼被LP伽馬射線能譜數據（Prettyman et al.,2006）和CE-1 Interference Imaging Spectrometer（IIM）數據（Wu,2012;Xia et al.,2019）實現定量反演.但是，現有產品中比較突出的問題是數據的空間分辨率與覆蓋度之間的矛盾，例如，LP-GRS、Clementine UV-VIS和CE-1 IIM影像的空間分辨率分別為15 km、1 km和200 m/像素，而覆蓋度分別為100%、98.0%和75.4%.換言之，高空間分辨率反演產品的空間覆蓋度較低，反之亦然.

另一方面，月球硅酸鹽樣品的發射率波譜主要包括三個明顯的診斷特征：Christiansen Feature（CF）、Reststrahlen bands（RB）和Transparency features（TF）.其中，CF是存在于8 μm附近（Conel,1969）的一個發射率明顯最大值的特征，其對應的波長位置非常敏感于硅酸鹽的結構類型、聚合程度和金屬陽離子的質量（Greenhagen et al.,2010;Allen et al.,2012），可以作為月表主要元素氧化物含量定量反演的理想依據.LRO Diviner探測器發射于北京時間2009年6月18日，一直在軌工作至今.其九通道推掃式測量方式主要為了獲取和計算月球表面的發射率、溫度和熱物理特征（Paige et al.,2010）.其中，通道三、四和五測量的輻射亮度和亮溫值可以用于計算8 μm附近的三個通道發射率，進而計算獲得硅酸鹽礦物三大發射率波譜特征之一的CF特征值，最終獲得高空間分辨率和覆蓋度的全月CF值遙感影像（Greenhagen et al.,2010）.

Greenhagen等（2010）利用2009-07-05至2010-11-30期間的LRO Diviner三個通道（三、四和五）觀測數據計算獲得了一幅標準的CF影像后，發現影像中的CF值被混合進了三部分信息，包括觀測角度、空間風化和成分信息.Greenhagen等（2010）利用基于緯度的多項式擬合和基于月球觀測時間的余弦擬合對高地CF值進行了地形校正，并提供了一幅NEN（Normalized to Equatorial Noon）CF影像.標準和NEN CF影像的空間分辨率都是32像素/（°）（赤道附近948 m），覆蓋度分別為52.4%和82.5%.隨著LRO Diviner任務的持續開展，基于Greenhagen等（2010）的計算方法，一幅擁有128像素/（°）空間分辨率和99.86%覆蓋度的標準CF影像被Diviner科學團隊計算和提供.目前，這三幅CF影像都可以在美國華盛頓大學的行星數據系統（Washington University′s Planetary Data System，https:∥ode.rsl.wustl.edu/moon/index.aspx）中免費獲得.

然而，在上述三幅影像中，觀測角度和空間風化影響依然沒有被完全消除（Greenhagen et al.,2011）.因此，Greenhagen團隊調查了21個不同反照率地形特征對CF值的影響，并將結果應用于全月CF值地形校正中.由于其校正方法主要包括三個步驟，因此，新的產品被命名為CX3 CF影像（Greenhagen et al.,2011）.之后，Lucey等（2021）升級了最初的空間風化校正方法（Lucey et al.,2017），依據實驗室模擬月球環境中不同成熟度月壤樣品CF值間的關系（Hanna et al.,2012,2017），以最新的CX3 CF影像為對象，利用Kaguya OMAT（Optical Maturity Parameter，Lucey et al.,2000b）和FeO含量相關尺度因子（Lemelin et al.,2015）實現了全球CF值空間風化校正，計算和提供了新的OMAT CX3 CF產品.這兩幅CF影像的空間分辨率和覆蓋度分別為32像素/（°）和99.93%，可以在Zenodo數據庫中免費獲得（Lucey et al.,2021，http:∥doi:10.5281/zenodo.4558235和http:∥doi.org/10.5281/zenodo.4558194）.分析最新的OMAT CX3 CF影像發現，由觀測角度引起的不同撞擊坑坡向位置的CF值基本保持一致，由空間風化引起的暗色斑塊邊界、撞擊坑壁和射線濺射物表面的CF值與物質相近的撞擊坑內部的CF值基本保持一致.因此，可以得出結論，在最新的OMAT CX3 CF影像中，CF值主要體現月球表面的成分信息，且不受觀測角度和空間風化影響.

利用OMAT CX3 CF影像產品，Ma等（2022）基于48個月面采樣點的成分信息和CF像元值之間的BP神經網絡（BPNN，Back Propagation Neural Network）關系，實現了月球表面六種元素氧化物（SiO2，TiO2，Al2O3，FeO，MgO和CaO）含量的定量反演（圖1，http:∥doi:10.7910/DVN/ADSUJD）.在已有的五組元素氧化物定量反演結果中（Lucey et al.,2000a;Prettyman et al.,2006;Wu,2012;Xia et al.,2019;Ma et al.,2022），四種Diviner氧化物（SiO2，Al2O3，MgO和CaO）反演結果具有最高的反演精度，分別為1.79 wt%、2.04 wt%、0.88 wt%和 1.10 wt%，Diviner FeO和TiO2具有第二高和第二低的反演精度，分別為 1.93 wt%和 3.17 wt%（Ma et al.,2022）.

此外，基于LRO Diviner探測器獲得的月球表面物質熱物理特性和晝夜溫差變化數據，Bandfield等（2011）提供了月球表面巖石豐度產品（128像素/（°）），并基于巖石濃度和月壤溫度數據將月球表面劃分為六個單元.巖石豐度產品和表面劃分單元為在月球表面尋找新鮮的裸露巖石提供了可能，進而為識別被風化層覆蓋的高鋁玄武巖提供了窗口.同時，Wang和Zhao（2017）基于119個Apollo和Luna巖石樣品，以及30個月球玄武巖質或者隕石樣品的成分數據確立了七個成分指數，建立了月球五種巖性實驗室分類標準.之后，實驗室巖性分類標準被應用于LP-GRS Th和CE-1 IIM主要元素氧化物定量反演產品中，獲得了全月巖性分類數據（Wang and Qiu,2018）.同理，實驗室巖性分類標準同樣適用于LP-GRS Th和LRO Diviner主要元素氧化物產品，并且可以在新鮮的裸露巖石中識別出玄武巖質巖石，進而結合Al2O3含量約束條件（>11 wt%）可以有效地識別埋藏在月表風化層之下的高鋁玄武巖.最后，LRO WAC（100 m/像元）、NAC（0.8 m/像元）和數字地形圖（GLD100，128像素/（°））等影像可以為高鋁巖層局部細節調查、單元或者斑塊的面積、埋藏深度、厚度和體積等形態學地質特征計算提供數據基礎，為統計和分析全月高鋁玄武巖的分布規律和噴發頻率提供支撐.

圖1 月球表面六種主要元素氧化物LRO Diviner定量反演結果（Ma et al.,2022）Fig.1 Six surface major element oxide images derived from LRO Diviner CF image （Ma et al.,2022）

圖2 47個月面采樣點和CE-3原地測量的表層月壤和105個高鋁玄武巖樣品的Al2O3含量（wt%）和Mg#（鎂指數,摩爾比Mg/（Mg+Fe））間關系藍線和紅線分別為48個采樣點（CE-3實地成分信息被玉兔巡視器直接測量獲得，Ding et al.,2020）的最上層（5 cm之內）月壤樣品（粒徑<1 mm）和105個高鋁玄武巖樣品的Al2O3含量和Mg#的線性擬合關系.兩條綠線為高鋁玄武巖樣品Al2O3含量（11和18 wt%）的上下限（Neal and Taylor,1990）.在月球表面，Al2O3含量小于11 wt%的像元一般被認為是低鋁玄武巖，大于18 wt%的像元一般被認為是月海-高地混合物（Kramer et al.,2008a,b）或者高地物質.Fig.2 The relationships between Al2O3 abundances and Mg# of the surface soils at 47 lunar landing sites and CE-3 site or 105 high alumina （HA） basalt samplesThe blue and red linear relationships were established between Al2O3 abundances and Mg# from 48 lunar soil samples （grain size <1 mm,the CE-3 in situ chemical compositions were obtained by Yutu rover,Ding et al.,2020） for the top 5 cm surface and 105 HA mare basalt samples respectively.The two green lines are the upper and lower limits of Al2O3 abundances （11 and 18 wt%） in HA basalts samples （Neal and Taylor,1990）.On the lunar surface,the pixels with Al2O3 abundance less than 11 wt% are generally considered to be low aluminum basalts,while those with Al2O3abundance greater than 18 wt% are considered to be mare-highland mixtures （Kramer et al.,2008a,b） or highland materials.

2 方法

2.1 月海-高地混合物識別

除了大量被埋藏的高鋁玄武巖之外，少量被高能隕石撞擊挖掘的高鋁玄武巖由于長時間的物理風化作用，導致了高鋁玄武巖與撞擊濺射物的不斷混合，形成了多種混合物，這種混合過程在主量元素方面表現為均勻的線性混合（Kramer et al.,2008a,b）.其中，高鋁與低鋁玄武巖的混合會導致混合物的Al2O3含量明顯降低，利用11 wt% Al2O3約束條件可以輕易地排除.但是，低鋁玄武巖與高地物質（二價鐵斜長巖，鎂質巖，堿性巖）的混合會導致混合物的Al2O3含量位于11～18 wt%之間（Neal and Taylor,1992），這種混合物被稱為月海-高地混合物（Kramer et al.,2008a,b），其將嚴重干擾高鋁玄武巖的遙感識別.分析47個Apollo和Luna采樣點最上層（5 cm之內）小于1 mm粒徑的月壤樣品和CE-3玉兔號主動激發X射線譜儀原地測量的主要元素氧化物含量及Mg#（Ma et al.,2022）發現，表層月壤中的Al2O3和Mg#之間存在著強烈的正相關性（K=0.6698，R2=0.7689，圖2藍線）.相反地，分析采集回地球的105個高鋁玄武巖樣品成分信息（Hubbard et al.,1972;Ma et al.,1979;Neal et al.,1988;Zeigler et al.,2006）發現，高鋁樣品中的Al2O3和Mg#之間呈現微弱的負相關性（K=-0.1671，R2=0.4676，圖2紅線）.因此，一個遙感像元是以月海-高地混合物或者高鋁玄武巖為主即可以利用中心與鄰近像元中的Al2O3和Mg#的線性關系加以判別.

此外，挖掘高鋁玄武巖的撞擊及其濺射過程一般具有一定的方向性，進而導致了月海-高地混合物不僅會呈現出物質成分上的線性混合，而且，這種成分混合過程同樣會具有方向性.例如，如果中心像元主要是以月海-高地混合物為主，則其應該同時滿足兩個方向條件：條件一，以待定像元為中心，臨近八個像元構成的四個方向（南北、東西、北偏西45°和北偏東45°）上，至少有一個方向上的Al2O3和Mg#會呈現正相關性（例如，中心像元的北側像元和南側像元構成的南北方向）；條件二，以中心像元為基準，與八個臨近像元構成的八個方向中，至少會有兩個方向上（與條件一中的方向一致）的Al2O3和Mg#會呈現正相關性（例如，中心像元與北側像元，中心像元與南側像元這兩個方向上）.反之，則中心像元為較純凈的玄武巖或者高地物質.因此，本文利用表層月壤樣品的Al2O3含量和Mg#線性擬合斜率的95%置信界限為限制條件（K>0.5608和K<0.7788），首先判斷以待定像元為中心的四個方向上是否存在Al2O3和Mg#的正相關性分布，然后，判斷該方向上以中心像元為基準兩個輻射線方向上是否同時滿足Al2O3和Mg#的正相關性分布，最終，確定每個像元為月海-高地混合物，還是較純凈的玄武巖或者高地物質.

2.2 高鋁玄武巖遙感識別

高鋁玄武巖樣品多數采集于Apollo 14任務，依據這些高鋁樣品較老的放射性年齡（4.3～3.95 Ga，Neal and Taylor,1990;Hui et al.,2013）推斷，多數早期噴發的高鋁玄武巖通常會被隨后噴發的玄武巖所覆蓋，這導致了從表面風化層成分信息中很難直接識別高鋁玄武巖.同時，高能撞擊流及其濺射物，以及漫長且持續不斷的物理空間風化作用更加加劇了高鋁玄武巖的遙感識別難度.因此，在準確識別覆蓋于高鋁玄武巖之上的月表風化層為下層低鋁或是高鋁玄武巖物質風化產物，還是“異地”污染物之前，相對較純凈的高鋁玄武巖只可能存在于新鮮撞擊坑的周圍或者濺射物表面.

本文選取0.5%巖石濃度作為區分新鮮的裸露巖石和月海、高地風化層（Bandfield et al.,2011）的閾值，并將其應用于全月巖石豐度影像（圖3，Bandfield et al.,2011）中，提取新鮮裸露巖石像元的位置信息.接著，將實驗室玄武巖巖性分類標準（Th/MgO>0.4495 and TiO2/Al2O3>0.68435或者Th/MgO≤0.4495 and TiO2/MgO>0.03132 and FeO/CaO>1.2967，Wang and Zhao,2017）應用于LP-GRS Th（2像素/（°），90°N/S）和Diviner TiO2、Al2O3、FeO、MgO、CaO定量反演影像（32像素/（°），70°N/S）產品中，在疊加裸露巖石像元（128像素/（°），80°N/S）信息后，獲得月球表面裸露玄武巖質像元信息.之后，在剔除月海-高地混合物的前提下，在裸露的玄武巖質像元中利用>11 wt% Al2O3約束條件實現裸露高鋁玄武巖像元信息的提取.最后，依據這些裸露的高鋁玄武巖像元初步實現全月高鋁玄武巖的遙感識別和圈定，并在冷海中利用目視解譯方法詳細調查和識別了每個大面積（>500 km2）且高鋁巖石連續分布的單元或者小面積（<500 km2）且高鋁巖石零散分布的斑塊.

2.3 高鋁玄武巖單元或者斑塊地質特征分析

較早噴發的高鋁玄武巖通常會被隨后噴發的低鋁玄武巖所覆蓋，它們的形態學地質特征很難通過最上層的風化層信息進行評估.因此，裸露于撞擊坑邊緣、坑壁和近端濺射物的高鋁玄武巖巖石可以作為高鋁玄武巖單元或者斑塊地質特征評估的重要依據.然而，遠端濺射物和從撞擊坑坑壁墜落于底部的高鋁玄武巖巖石并不是原地產物，其會對高鋁巖層地質特征評估帶來嚴重的干擾，前者將增加高鋁巖層的厚度和深度值，而后者將增加厚度值.因此，本文將裸露的高鋁巖石信息疊加在LRO WAC（100m/像元）和LOLA GLD100（128像素/（°））影像中，并依據冷海中大量裸露高鋁巖石的撞擊坑半徑確立閾值來消除遠端濺射物和撞擊坑底部高鋁巖石的干擾，實現高鋁玄武巖單元或者斑塊面積（計算于LRO WAC影像）、埋藏深度（公式（1））、厚度（公式（2））和體積（公式（3））的計算和提取.

Depth（i,j）=Max（Max（GLD100（i-k:i+k,

j-k:j+k）））-GLD100（i,j）,（1）

Thickness（i,j）=Max（Max（Depth（i-k:i+k,

j-k:j+k）））-Depth（i,j）,（2）

Volume=ThicknessMax×Area，

（3）

公式（1）和（2）中的i和j分別為高鋁玄武巖巖石像元的像元位置（行和列），k為距離閾值.在被識別的高鋁玄武巖巖石像元中，高鋁巖層深度為像元周圍八個方向內k個像元距離內最大的高程減去像元的高程（公式（1）），巖層厚度為像元周圍八個方向內k個像元距離內最大的深度減去像元的深度（公式（2）），巖層體積為最大厚度乘以面積（公式（3））.

分析LRO WAC影像發現，冷海中大量裸露玄武巖的撞擊坑半徑大多不超過0.5 km.同時，分析這些撞擊坑形態學特征表明，冷海玄武巖的厚度大約為200～500 m（Hiesinger et al.,2010）.因此，公式（1）和（2）中的閾值k被設置為2，其表示2個像元的水平距離（474 m）.閾值k不僅有助于準確識別高鋁玄武巖的深度和厚度，而且可以有效的規避撞擊坑底部和遠端濺射物中高鋁巖石對特征值計算的影響.此外，基于公式（1）、（2）和（3）計算獲得的是以每個像元為基準的最大埋藏深度和厚度值，最終，會獲得每個高鋁單元或者斑塊的最大地質特征值.

3 結果

3.1 冷海高鋁巖石像元

與Hiesinger等（2010）不同，Kramer等（2015）利用Clementine UV-VIS與Near-infrared（NIR）、LRO WAC、NAC與 GLD100、以及LP-GRS Th等數據將冷海玄武巖劃分為東、中東、中西和西四個部分的22個玄武巖單元（圖4a和4b中藍色、綠色、黃色和紫色曲線包圍區域）.本文在這些玄武巖單元中完成了高鋁玄武巖的遙感識別.結果表明，新鮮裸露的巖石像元（巖石豐度>0.5%，圖4a彩色像元，由于冷海中裸露巖石的豐度較低，多數像元的顏色呈現為低豐度值的藍色）、玄武巖巖石像元（圖4b，紅色像元），高鋁玄武巖巖石像元（Al2O3>11 wt%和Al2O3<17.6 wt%，圖4c，彩色像元）和月海-高地巖石混合物像元的數量分別為64937、14070、4511和1573.其中，>11 wt% Al2O3玄武巖巖石像元占全部玄武巖巖石像元數量的43%，大約有26%的高鋁巖石像元被識別為月海-高地混合物，其余74%（占冷海玄武巖巖石數量的32%）為相對純凈的高鋁玄武巖巖石.

值得注意地是，除了裸露巖石像元數量小于1000的五個玄武巖單元之外，其他17個冷海玄武巖單元中都包含著大量的新鮮裸露的巖石.但是，這些單元中的裸露玄武巖巖石的數量卻存在著巨大的差異（表1，第三列）.總體來說，冷海中裸露的玄武巖巖石主要集中于冷海的東部和西部，以及中部的少數幾個月海玄武巖單元中，而占全部裸露玄武巖巖石32%的高鋁玄武巖巖石主要集中于冷海東部的兩個月海玄武巖單元（EF2和EF3），以及中東和中西部兩個玄武巖單元（WCF1和ECF4）的局部中.其中，玄武巖巖石像元數量大于500的只有11個，高鋁玄武巖巖石像元數量大于100的只有5個（WCF1、ECF4、EF2、EF3和EF4）.這種大量裸露的巖石，卻鮮有玄武巖巖石的分布特征意味著冷海的玄武巖多數被周圍高地物質（二價鐵斜長巖，鎂質巖，堿性巖）所覆蓋，少量裸露的玄武巖巖石也被嚴重地污染（高鋁玄武巖的污染率約為26%），因此，遙感方法能夠識別出的高鋁玄武巖數量可能要比實際蘊藏的要少.同時，之前的（Kramer et al.,2015）推測（冷海中蘊藏著大量的高鋁玄武巖）可能不準確.本文識別的高鋁玄武巖只是集中于冷海東側，以及零散的分布于其他三個區域中.此外，高鋁玄武巖的分布與玄武巖單元的年齡和化學成分沒有必然的聯系.一般來說，冷海中較老的玄武巖巖層下可能蘊藏著大面積的高鋁玄武巖單元，而相對年輕的玄武巖單元中一般沒有埋藏大面積的高鋁玄武巖巖層，只存在少量的高鋁玄武巖斑塊.

3.2 冷海高鋁玄武巖單元或者斑塊

高鋁玄武巖一般擁有較老的噴發年齡（Neal and Taylor,1990;Hui et al.,2013），它們在噴發到月球表面后通常會被隨后噴發的玄武巖或者撞擊濺射物所覆蓋.此外，大多數現存的玄武巖是填充于大型撞擊盆地后形成的，月球巖漿洋凝結后形成的月殼多數會被大型撞擊事件所移除.因此，只有撞擊事件挖掘出大量的高鋁玄武巖巖石的區域內才有可能存在高鋁玄武巖巖層.在冷海中，本研究在11個高鋁玄武巖巖石聚集區域內劃定了候選區域.之后，依據高鋁玄武巖裸露巖石像元的位置信息和巖石連續分布特征識別了10個高鋁玄武巖斑塊（面積<500 km2）和一個單元（面積>500 km2，圖4c，綠色不規則多邊形）.

表1 22個月球冷海玄武巖單元中的新鮮裸露巖石、月海玄武巖巖石高鋁巖石像元的數量，以及它們的平均氧化物含量、Mg#和模型年齡Table 1 The number of fresh exposed rocks,mare basalt rocks and HA basalt rocks in 22 Frigoris mare basalts units and their average oxide abundances,Mg# and model age

依據圖4c中裸露的高鋁玄武巖巖石，本文調查了11個高鋁玄武巖斑塊和單元的形態學地質特征和化學成分信息（表2）.高鋁玄武巖斑塊的最大面積和體積不超過308 km2和58.5 km3，唯一的一塊高鋁玄武巖單元的面積和體積為2737 km2和1026.1 km3.冷海中高鋁玄武巖巖層的總面積和體積分別為3694 km2和1160 km3.相對于冷海西側，中東部和東部的高鋁玄武巖巖層一般具有較大的深度和厚度，最大、最小深度和厚度值分別為11 m、331 m和7 m、207 m.此外，與冷海表面玄武巖單元的化學成分相比，埋藏在風化層之下的高鋁巖層具有更高的TiO2、FeO和更低的Al2O3、Mg#.同時，在高鋁玄武巖斑塊和單元中，三種氧化物含量和Mg#具有較大的變化幅度，這與高鋁玄武巖樣品呈現出的化學成分變化信息保持一致.

表2 11個月球冷海高鋁玄武巖斑塊或者單元的高鋁巖石像元數量、面積,最大深度、厚度和體積，以及平均氧化物含量和Mg#Table 2 The number of HA rock pixels,area,maximum depth,thickness,volume,average oxide abundances and Mg# for 11 Frigoris HA basalt unit or patches

4 討論

4.1 已有研究結果的比較

Kramer等（2008a,b）利用非鋁“替代”（14～18 wt% FeO、1～5 wt% TiO2和0～4 ppm Th）成分約束條件，在Clementine FeO、TiO2和LP-GRS Th影像中圈定了34個可能蘊藏高鋁玄武巖的候選區域.之后，通過觀測小型撞擊坑（0.4～4 km）坑壁或者近端濺射物的成分信息，以及利用5 wt% TiO2作為成分約束上限消除月海-高地混合物對表層風化層的影響.最后，將高鋁玄武巖遙感識別方法應用于月球莫斯科海、酒海、豐富海和雨海中，完成了多個高鋁玄武巖地質單元的遙感識別.

本文部分贊同Kramer等（2008a,b）的觀點，即相對純凈的高鋁玄武巖裸露可能存在于新鮮的小型撞擊坑坑壁和近端濺射物中，并且這些裸露的高鋁巖石可以作為高鋁玄武巖斑塊或者單元遙感識別的直接證據.但是，不同的是，本文認為絕對純凈的高鋁玄武巖風化物在月球表面是很難被發現的，少量被撞擊事件挖掘的高鋁玄武巖通常也會被撞擊濺射物所污染（Xie et al.,2020;Li et al.,2022）.因此，在識別小型撞擊坑坑壁或者近端濺射物中的高鋁玄武巖物質為當地的風化物還是撞擊污染物之前，新鮮裸露的玄武巖質巖石且擁有>11 wt% Al2O3含量的像元中更有可能包含相對純凈的高鋁玄武巖.此外，本文通過判斷中心像元與臨近像元的Al2O3和Mg#的線性關系來消除月海-高地混合物的影響，因為，由撞擊事件引起的物質混合過程不僅在成分信息上會呈現出線性混合規律，并且，這種物質混合過程還應該具有方向性.相對于高分辨率影像產品中的像元數量，能夠被識別為高鋁玄武巖巖石的像元數量確實較少，但是，這些高鋁像元能夠均勻地分布于高鋁玄武巖候選區域，這也間接證明了本文研究方法的有效性.

比較兩種研究結果發現，Kramer等（2008a,b）幾乎在每個月海中都識別了一個或者多個高鋁玄武巖單元，但卻沒有在冷海中識別出高鋁玄武巖.之后的研究（Kramer et al.,2015）也只是推測冷海中蘊藏著大量的高鋁玄武巖，卻沒有給出高鋁玄武巖單元的具體位置.本文的研究結果不僅提供了充足的證據來證明冷海中確實存在一定數量的高鋁玄武巖，并且識別和計算了冷海高鋁玄武巖斑塊或者單元的具體位置和形態學地質特征.但是，本文的研究也存在一定的缺陷，例如，對于臨近高地的月海區域內識別效果不佳.究其原因主要有兩方面.第一，冷海中的玄武巖具有非常薄的巖層（200～500 m），如果較早噴發的高鋁玄武巖被隨后的低鋁玄武巖或者其他巖性的風化層大面積地覆蓋，并且，高能隕石撞擊又沒有挖掘出適量的高鋁玄武巖巖石，這將導致本研究的方法失效.第二，無處不在的古老的高地月壤和粉末狀濺射物可以輕易地到達臨近的冷海玄武巖表面，這不僅導致了冷海玄武巖的嚴重污染，同時，也降低了玄武巖的裸露面積，尤其是對于高鋁玄武巖巖石.因此，這兩方面的共同作用導致了本文的研究方法幾乎不能應用于臨近高地的冷海區域中.

考慮到兩種研究結果的差異，被識別的高鋁玄武巖斑塊或者單元需要結合冷海玄武巖單元的地形、地貌、化學成分和地質特性進行調查.總體來說，冷海玄武巖單元的撞擊坑統計年齡介于2.5～3.79 Ga之間（Hiesinger et al.,2010），相對較老的玄武巖單元主要集中于東西兩側，中部的玄武巖相對年輕，所有的冷海玄武巖單元都形成于雨海（Imbrian，Im）或者愛拉托遜紀（Eratosthenian，Er）（Wilhelms et al.,1987;Hiesinger et al.,2010;Kramer et al.,2015）.冷海玄武巖的厚度約為200～500 m（Hiesinger et al.,2010），這意味著在128像素/（°）分辨率的影像中，玄武巖巖層的垂直高度不會超過三個像元距離.基于軌道遙感數據反演得到的表層化學成分信息（Lucey et al.,2000a;Prettyman et al.,2006;Wu,2012;Xia et al.,2019;Ma et al.,2022）表明，除了西南側的兩個月海玄武巖單元（WF4和WF5）之外，其他冷海玄武巖單元擁有較高的Al2O3、較低的FeO和極低的TiO2.此外，冷海的地質構造和地層學等相關研究也已完成（Williams et al.,2019）.這些研究結果為冷海高鋁玄武巖斑塊或者單元詳細調查提供了基礎.

4.2 高鋁玄武巖斑塊或者單元地質調查

4.2.1 地質調查

基于之前的研究基礎（Wilhelms et al.,1987;Hiesinger et al.,2010），Kramer等（2015）將西側的冷海劃分為5個玄武巖單元.除了WF5之外（2.5/1.4 Ga），其他四個玄武巖單元的年齡都在3.53/3.72 Ga左右.在四個較老的玄武巖單元中，WF4表層化學成分明顯受到Harpalus撞擊坑濺射物的影響，尤其是Al2O3和FeO含量.除了WF3，冷海西側的四個玄武巖單元中都包含著大量新鮮裸露的巖石，但是，本研究只是在WF1和WF5中識別了少量的高鋁巖石.同時，WF1中的高鋁巖石散落在整個單元區域內，很難發現高鋁巖石的聚集區域.最終，本文在WF5西北側一個面積約為76 km2的高鋁玄武巖巖石聚集區內，識別了一塊高鋁玄武巖斑塊.同時，詳細調查發現，這些高鋁巖石主要分布于中型撞擊坑（5～10 km）的近端濺射物中，很難在坑壁或者坑底部被發現，這意味著冷海西側少量噴發且具有較薄巖層的高鋁玄武巖可能被埋藏在低鋁玄武巖之下，并且沒有被高能撞擊事件挖掘.因此，本文認為，冷海西側的高鋁玄武巖可能更早（>3.53/3.72）地以小規模形式噴發于盆地原始月殼上，后期噴發或者流動的低鋁玄武巖將這些高鋁玄武巖大量的掩埋和覆蓋.

冷海的中西部由七個玄武巖單元構成（Kramer et al.,2015），其中，WCF1是第一個流入中西部的玄武巖單元，這導致了WCF1在中西部冷海不僅擁有最大的面積，而且是相互分離的兩個部分（被WCF3分割），類似的情況也包括WCF3（被WCF5分割）.相對于西側冷海，七個中西部的玄武巖單元之間的表層化學成分差異明顯變小，但是，靠近南北高地的月海玄武巖單元（WCF2、WCF4、WCF5和WCF7）明顯比中心的單元擁有更高的Al2O3和Mg#，更低的TiO2和FeO.這種成分上的差異可能主要歸因于高地的污染物，少部分歸因于噴發源的成分差異.盡管新鮮的巖石廣泛裸露于冷海中西部，但是本文只是在WCF1和WCF6中發現了三個高鋁斑塊（HA2、HA4和HA3）.與西側相比，中西部的高鋁巖石主要集中于小型撞擊坑（<5 km）的坑壁和近端濺射物中，且多集中于遠離高地的月海中.這種分布特征意味著冷海中西部的高鋁玄武巖應該晚于西部的高鋁玄武巖噴發到冷海盆地形成后的原始月殼上，之后，被3.48/3.63 Ga年噴發的玄武巖所覆蓋.此外，盡管冷海中西部的高鋁玄武巖面積約為西部的3.5倍，但是，兩個區域的卻擁有相近的噴發體積（1.4倍），并且可能都以小規模零散噴發為主.

六個玄武巖單元組成了冷海的中東部（Kramer et al.,2015），除了ECF3之外，其他玄武巖單元的表層成分都沒有受到高地污染物或者撞擊坑濺射物的影響，盡管這一區域中包含三個較大的撞擊坑（Archytas，Anaxagoras和Aristoteles）.同時，由于Kipuka高地的存在，ECF3單元被分割為東西兩個小的區域，而在ECF4中，眾多鏈狀或者次級撞擊坑導致該單元很難形成一個完整的玄武巖覆蓋.總體來說，無論是形成過程或是表層成分，中東部的玄武巖與中西部的玄武巖非常相似.同樣地，本文在冷海中東部中僅僅識別了兩個高鋁斑塊（HA5和HA6）.但是，相對于中西部，中東部的兩個斑塊擁有更大的面積和更多的體積.值得注意地是，HA5斑塊位于ECF1和ECF6兩個玄武巖單元交界之處，橫跨兩個地質單元，這意味著HA5中的高鋁玄武巖可能先被較老的ECF1（3.56/3.71）大面積覆蓋，之后，又被ECF6將HA5北部小面積覆蓋.詳細的調查發現，HA5南側的高鋁玄武巖埋藏較淺，而北側的埋藏較深，這也支撐了本文的推測.對于HA6，其是冷海中面積和體積最大的高鋁玄武巖斑塊.沒有將其識別為單元的原因是考慮到這個區域中的高鋁巖石的分布密度較低、面積較小和區域內高鋁巖石的不連續性分布.但是，由于周圍中型撞擊坑對于玄武巖巖層的重構，HA6中的高鋁玄武巖可能比高鋁巖石信息所表示的更廣泛.

四個早或者晚雨海紀（Wilhelms et al.,1987）的玄武巖單元構成了東部冷海（Kramer et al.,2015）.四個單元的表層化學成分都受到Mortis湖和Gaile、Aristoteles撞擊坑濺射物的影響，尤其是對于EF1.同時，Mortis撞擊坑和西側的眾多中型撞擊坑嚴重破壞了EF1和EF4玄武巖層的完整性，尤其是EF4.盡管冷海東部的區域面積和裸露巖石的數量與其他三個區域大致相同，但是，這一區域卻存在著大量裸露的高鋁巖石，占到整個冷海高鋁巖石總量的83%.因此，本文在這一區域中識別了四個高鋁斑塊和唯一的一個高鋁單元.位于EF4中的三個高鋁玄武巖斑塊（HA7、HA8和HA9）被月海中隆起的高原和多個撞擊坑分割開來，這意味著EF4下可能埋藏著大量的高鋁玄武巖，只是被隆起的地形和撞擊坑重構成多個斑塊.冷海最東側的高鋁斑塊（HA11）位于Mortis湖中，擁有第二多的高鋁巖石數量和第一的埋藏深度和厚度，意味著Mortis湖的低洼之處可能埋藏著大量的高鋁玄武巖，但是在地勢較高的區域中可能并不包含任何高鋁玄武巖.

冷海中唯一的一個高鋁單元（HA10）擁有數倍于其他斑塊的面積和體積，其占據了EF2的大部分和EF3的南部.裸露的高鋁巖石幾乎均勻地分布于高鋁玄武巖單元中的每個小型撞擊坑坑壁或者近端濺射物，充分證明了冷海東部存在較大規模的高鋁玄武巖噴發，并且埋藏在EF2和EF3之下.同時，這些高鋁玄武巖的風化物可能已經裸露到兩個玄武巖單元的表層.詳細調查發現，HA10中的高鋁玄武巖的深度和厚度并不一致，意味著這一區域的高鋁巖層可能具有不一致且變化的埋藏深度或者厚度.此外，相對老的EF2（3.62 Ga）中的裸露的高鋁玄武巖巖石明顯高于相對較年輕的FE3（3.56 Ga），意味著早期噴發到EF2表層的玄武巖可能就是高鋁玄武巖，而后期噴發的EF3可能覆蓋了大面積的EF2或者更早的高鋁玄武巖.

4.2.2 地質特征分析

將高鋁巖石像元疊加到數字地形圖影像（GLD100）之后，10個高鋁斑塊和一個單元的形態學地質特性被量化呈現（表2）.詳細調查新鮮裸露的高鋁巖石發現，它們主要集中于相對新鮮的小型或者中型撞擊坑的坑壁和近端濺射物表面，很難在大型（>10 km）撞擊坑周圍被發現.同時，這些巖石主要集中于靠近冷海中心的玄武巖單元中，而不是臨近四周高地的月海區域內，盡管后者通常含有較高的Al2O3含量，且被推測可能擁有高鋁玄武巖單元（Kramer et al.,2008a,b）.冷海中高鋁巖石的分布特征可能有兩種原因：第一，靠近高地的月海區域中的玄武巖巖石被高地物質嚴重污染，導致了從遙感影像中幾乎無法識別玄武巖物質；第二，靠近高地的月海區域中可能存在較多的玄武巖質火山碎屑物質或者粉末狀的高地物質，而不是玄武巖巖石，這些粉末狀的物質導致了本文的研究方法在這些區域中失效，進而無法在這些區域中識別玄武巖.

值得注意地是，表2中的地質特征值分別為高鋁斑塊或者單元中高鋁巖層的最大埋藏深度、厚度和體積.這些特征值在計算過程中受到兩個因素的影響：第一，從撞擊坑坑壁滑落到撞擊坑底部的高鋁玄武巖巖石；第二，撞擊坑外部的近端或者遠端濺射的高鋁巖石.前者導致了埋藏深度的增加，后者導致了埋藏深度和厚度的增加.因此，本文采用474 m作為閾值來消除這些高鋁物質偏移或者遠距離濺射巖石對特征值計算的影響.此外，在斑塊或者單元的內環邊緣區域，尤其是靠近高地的區域內，高鋁玄武巖的這些特性都趨近于0.因此，除了面積值之外，表2中的其他地質特征值應該比斑塊或者單元的實際特征值要小.

分析高鋁斑塊或者單元的形態學地質特征值發現，除了中西部的兩塊斑塊之外（HA1和HA3），較深或者較厚的高鋁玄武巖主要集中于冷海的中東和東部.最淺和最薄的高鋁玄武巖位于HA3斑塊中，分別為11 m和7 m.但是，這些埋藏深度和厚度值并不代表著這個區域的高鋁玄武巖完全裸露于月表風化層之中，而是代表著HA3中高鋁玄武巖具有非常薄的巖層，并且，原本應該存留在小型撞擊坑坑壁或者坑底部的高鋁巖石，被撞擊事件挖掘至月球表層，由此導致了高鋁玄武巖特征值計算過程中獲得了極小的深度和厚度值.同時，最深（331 m）和最厚（207 m）的高鋁巖層被發現在Mortis湖北部的一個未命名的大型撞擊坑坑壁表面（HA11）.但是，由于撞擊事件引起的地面隆起和近端濺射物可能導致這些厚度和深度特征值并不可靠，實際的深度和厚度可能要比計算的特征值要小.值得注意地是，在冷海唯一的一個高鋁單元中（HA10），最大的深度（323 m）和厚度（181 m）特征值應該能真實地反映這一區域的高鋁巖層的形態學地質特征.原因是這一區域中并不存在大型撞擊事件，并且多數高鋁巖石都分布于小型撞擊坑的坑壁或者近端濺射物表面.因此，占據冷海所有高鋁玄武巖總面積和體積的74%和88%的HA10可以作為冷海區域高鋁玄武巖的代表.

5 結論

本研究提供了一個新的高鋁玄武巖遙感識別方法，并將其應用于月球冷海中，實現了高鋁玄武巖斑塊或者單元的遙感識別和形態學地質特征統計分析，主要結論包括：（1）相對于之前的月球表面主要元素氧化物定量反演結果，同時兼顧高空間分辨率和覆蓋度的LRO Diviner主要元素氧化物定量反演結果可以滿足在極其復雜的月球表面實現高鋁玄武巖遙感識別的需求.（2）建立在最新的月球表面主要元素氧化物含量定量反演結果基礎之上，相對于“替代”成分約束條件遙感識別方法，新鮮裸露的高鋁玄武巖質巖石方法能有效的識別月球冷海的高鋁玄武巖斑塊或者單元，并可以有效的獲得這些斑塊或者單元的形態學地質特征.（3）盡管月球冷海中分布著大量的新鮮裸露巖石，但是，玄武巖巖石和高鋁玄武巖巖石只占到裸露巖石總量的10.3%和6.9%，這意味著，月球冷海中的玄武巖被其他類型的巖石或者高地物質嚴重污染，本文識別的高鋁玄武巖可能比冷海實際蘊藏的要少.（4）在月球冷海中，大約有26%的高鋁玄武巖巖石是月海-高地混合物，因此，在識別高鋁玄武巖斑塊和單元之前需要利用中心和臨近像元的Al2O3和Mg#之間的正相關性排除月海-高地混合物的影響.（5）冷海中的高鋁玄武巖主要集中于冷海的東部和中部的局部，以零散的小型噴發（面積小于500 km2或者體積小于100 km3）為主，偶爾會出現大規模的噴發，多集中于較老，而不是較年輕的玄武巖單元之下，可以識別為10高鋁玄武巖斑塊和一個單元.（6）冷海高鋁玄武巖具有不一致且可變的埋藏厚度和深度，最大、最小的埋藏深度和厚度值分別為11 m、331 m和7 m、207 m，總面積和體積分別為3694 km2和1160 km3，其中，唯一的一塊高鋁玄武巖單元占據了全部高鋁玄武巖總面積和體積的74%和88%.（7）與表面風化層化學成分相比，冷海中的高鋁玄武巖擁有更高的TiO2、FeO含量、更低的Al2O3含量、Mg#和更大的成分差異，與高鋁樣品化學成分信息保持一致.

本研究也存在兩點不足之處.第一，最高分辨率（128像素/（°））的LRO Diviner CF影像目前沒有被生產，導致了四個巖石像元需要共享一個氧化物含量像元，增加了高鋁玄武巖遙感識別的不確定性.第二，研究的方法在表層巖石稀少、多為火山碎屑和粉末狀高地物質的區域內可能無效.

致謝非常感謝三位審稿人的辛勤工作和大量有意義、有價值和有建設性的意見，你們的審閱意見極大的提升了本文的研究水平.非常感謝編輯的決定和辛勤的工作.